卫星经济中的超宽带数据转换器技术
时间：2017-08-21 10:35:49
作者：Teledyne e2v
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板上处理(OBP)在现代高吞吐量卫星(HTS)上的引入，使实现新一代的高敏捷度、高灵活性载荷成为可能。在传统意义上，粗苯的“弯管”载荷扮演着简单航天中继器的角色。在理想条件下，卫星通讯运营商希望能够动态分配传输的容量——即根据需要修改任务配置。
这些需求每个季度甚至每天都不同。因此，需要根据传输能力的利用率和传输需求的高峰，利用点波束引导，提高服务的质量，降低每个用户的传输成本。
使用相控阵天线技术和敏捷频率规划结合的动态波束控制在未来有广阔的发展前景。但是，为了实现这个目标，需要在载荷设计方面引入新的方法。
在地球通信网络中，软件定义的无线电是高可靠性大容量基础设施开发的重点。我们没有意识到，为了保持不间断的服务而使用的复杂的频道和跳频。它能很好地工作。现在，想象一下敏捷频率管理被应用到卫星通信上带来的影响。目前有很多的载荷供应商正在研究这个方向。
Intelsat最近发射的EpicNG卫星和Eutelsat不久将实现的Quantum项目（2018发射）都是这种设想的例证。这些项目里的系统工程师对电子器件有巨大的需求。幸运的是，新一代的超宽带数据转换器已经及时发布。这里简要介绍：
通过提高频谱利用率和波束导向提高数据吞吐率，是提高卫星经济效益的核心。但是，在卫星产业中，对于如何最好地满足用户需求，特别是载荷复杂度的增加是否会带来经济效益的问题，人们的看法并不相同。
每个人都理解灵活性的好处——运营商可以动态响应地面的需求。但是，增加敏捷的信号处理却要付出显著的代价。灵活性通常带来功耗、复杂度和成本的增加，还可能降低可靠性。但是，越来越多的证据表明，卫星通讯的完全数字化有助于提高卫星的经济效益，而新型器件能极大地帮助人们实现灵活的软件定义的无线电架构。
研发一个基于卫星的通讯基础设施的项目风险很高。这其实完全是发射重量的问题。经常被引用的成本是，将1kg发射到地球同步轨道大约需要$50K。因此，OBP模块越重，成本越高。但是，从整个工作时间来看，敏捷载荷带来的灵活性创造了一个新的范式，其在Eutelsat最近的2016 ESTEC 论文中有具体的描述。Eutelsat证明，这种灵活性会带来多方面的好处，特别是：
• 对运营商而言，考虑到变化的市场、政治和监管环境，以及15年的硬件生命周期，根本不可能在不变的平台上权衡系统需要。如果平台有重新配置的功能，则可以在长时间内最大化系统的利用率。更具体地说，根据Alessandro Le Pera 的观点，未来的HTS系统将使用支持目标HTS容量的多个OBP，并减少网关的数量，以减少地面设备的成本。
• 对制造商而言，按照传统的观点，高灵活度会导致复杂的硬件设计。而可重配置的OBP可简化供应链，简化测试流程，同时提供前向兼容性（对客户提供未来的保证）。
• 对客户而言，以客户为中心的服务管理是一个极具价值的观念。客户不需要预测未来。如果可以指定设备的能力并且评估其成本，将降低其获取服务的风险。
所以，我们有充分的理由考虑OBP的方案。可能我们并不能估算所有优点的成本，但至少是其符合逻辑的。
而且正如我们将看到的，新器件的开发预示着新一代系统的价格和性能指标。现在，一片UWB ADC可以替换多个RF混合器和多个基带ADC，降低系统成本和功耗，同时提高系统灵活性。
数字化无线电频谱的工作由高速数据转换器 — 上行链路中的模数转换器(ADC)和下行链路中的数模转换器(DAC) — 完成。在信号转换的过程中，数据转换器从根本上影响系统的性能。其将RF信号转换为数字“0”和“1”，使信号处理可以实现有效的算法，通过系统可编程的能力提高后向和前向运输层的兼容性。
卫星通讯载荷一般工作在GHz的频段，其中Ka和Ku是最常见的两个频段。传统意义上，数据转换器的采样率和带宽有限，只能处理几百MHz。因此通常需要在信号链路上加入多个RF混频器环节（上变频或下变频），将微波信号转换成容易处理的基带信号，其带宽小于500MHz。由于这个原因，过去的ADC器件倾向于将采样信号限制在第一奈奎斯特域（这里N1 = fs/2）。这限制了每通道RF载波处理的能力。过去，唯一能规避这种限制的方法是增加额外的ADC通道来处理全信号带宽，但是这样会增加设计的复杂度，影响可靠性。
表1:市面上的双通道宽带12-bit ADC比较
最近几年，业内已研发出一些商业级别的宽带ADC，如表1所示。但是，请注意这张表格中只有两个宇航级器件。ADC12D1600QML的规格书暗示其有扩展带宽的能力，模糊地提到其在2670MHz输入频率时的互调指标。但奇怪的是，规格书没有给出任何超过248MHz输入的动态指标。
显著提高的GHz的信号带宽和采样率使在高奈奎斯特域采样成为可能，而且降低了RF混频器环节带来的额外的成本、重量和功耗。这种方案通过简化信号链路设计（如图1所示）实现了卫星经济的转型。而且，它提高了载荷的灵活性，降低"SWaP"（尺寸，重量和功耗）及成本，提高了可靠性。
多年来，Teledyne e2v一直是新型UWB转换器行业的专家和先驱，一直努力突破带宽的限制。Teledyne e2v专注于数据链路的上行侧和下行侧的高速数据转换器的设计。对于上行链路，新的双通道12-bit 1.5Gsps ADC EV12AD550一定会为用户带来惊喜。
这款ADC是单核非交织的设计，有着业内领先的动态性能指标。两个转换核心，与一个灵活的输入信号多路复用器配对，使其可以同相或反相采样。它同时也支持单通道交织，将采样率翻倍（3Gsps）。
图 2
这款ADC采用宇航级防辐射设计，提供强大的4.3GHz的3dB带宽（图2），而每通道的功耗只有2.3W。欧洲的0.13µm BiCMOS制程的节点保证其速度的优势。EV12AD550采样率高达1.5Gsps，可以在第5或第6奈奎斯特域甚至更高的范围采样RF信号(N5 = 3 到3.75，N6 = 3.75到4.5 GHz)。
我们使用一种新型的高密度密封型封装来满足RF设计的需要。这种封装使用一种来自Kyocera的对RF友好的铝氮化物的倒装工艺封装（图3）。其热特性优秀，热膨胀系数与硅片匹配，因此互相连接的凸点上的机械应力很小。这样，它在整个任务周期的温度和性能特性都很稳定。
图 3
无杂散动态范围(SFDR)通过量化给定的纯净单频测试信号与采样后频谱中的杂散的最大差值，衡量ADC的动态性能。杂散信号非常不受欢迎，因为它们无法从加载着信息的低电压信号中区分。对于EV12AD550，在最坏的情况下（-1dBFS，即全幅度减1dB，代表接近极限的输入信号）测试时，第1和第2奈奎斯特域的SDFR分别高达-80dBc和-75dBc。同样，通道间的串扰即使在5GHz时也只有-80dB。
所以，这是市面上现有的第一款实用的S波段不需下混频器直接采样的宇航级ADC。一个UWB器件可以完成多个基带转换器的工作，降低载荷总成本，简化系统设计。
电子波束导向是一种很受欢迎的卫星技术，因为它允许动态信号切换和点波束频率重用。利用相控阵技术，可以从一系列固定的多辐射器天线中完成RF波束导向。使用这种技术，运营商能获得更多的操控灵活性。
波束导向设计中最关键的一点是，从信号相关的多辐射器之间相位（或时间）的差值来建立波束方向。因此，导向系统中的精确时间同步是关键。在GHz频率下，这一点并不容易实现——即使微小的相位差也会影响性能。这里就是EV12AD550能帮助简化系统设计的地方。
我们设计了一种独特的片上同步系统，允许多片EV12AD550使用菊花链连接以精确管理采样时域偏移。设置正确的链接时序需要通过SPI控制接口设置三个ADC时序功能：
• Flagx – 指示SYNC时钟相对于当前采样时钟处在亚稳态区域
• Edge_Selx – 选择SYNC脉冲锁定到的采样时钟边沿
• Shift_Selx – 设定菊花链中每个转换器的SYNC脉冲的延迟的时钟脉冲的整数数量，设定所需的相控阵时序
一旦依据“相位控制”的设计做出样机，就可以通过训练序列校准系统时序，确保精确的延迟时序和可重复性。图4表示3片ADC如何连接并使用菊花链控制特性。
图 4
随着新技术的应用，半导体供应商一直影响着系统设计的选择。Teledyne e2v持续关注能取代过时方案的UWB数据转换器（ADC和DAC），并取得了众多高性能的技术突破。
现在，越来越多的应用采用直接到微波(DTM)转换的方案。迅速采用革命性UWB转换器的厂商将很快成为充满竞争力的卫星通讯市场的受益者。最新的数据转换器意味着载荷的成本可以降到一个新的价格点。对OBP方案持怀疑态度的人将很快发现自己已经远远地落后于时代。
